Curso de Materiales I

Ciencia de Materiales I
Tipos de Materiales
En la ciencia de materiales existen diversos casos de estudio y sobre los que
se puede enfocar un especialista. Cada uno de estos tipos de materiales tiene
propiedades especiales que les permite ser clasificados como tales.
Materiales ferrosos: aceros y hierros colados o de fundición.
Materiales no ferrosos: Metales y aleaciones que no contienen hierro.
Cerámicas y vidrios: Son compuestos inorgánicos no metálicos de carbono,
oxígeno, nitrógeno, silicio y/o boro, unidos de forma iónica. Los vidrios tienen
orden de corto alcance y son amorfos.
Polímeros: Es un material puro que se considera el producto macromolecular
de cadena larga resultante del proceso de polimerización. En la manufactura
son líquidos y fácilmente moldeables.
Compósitos: Son el resultado de la combinación macroscópica de materiales
metálicos, cerámicos o poliméricos que tienen una interfase identificable
entre ellos. Se constituyen por una matriz y un material de relleno o refuerzo.
Ciencia de Materiales I
Metales
Los materiales más comúnmente elegidos para aplicaciones de ingeniería son los
metales. Sus propiedades se deben a su estructura atómica y tipo de enlace,
además de la posibilidad de tratamiento térmico para conseguir un
comportamiento mecánico deseable.
La clasificación del material es de acuerdo con la Norma E 527 de la ASTM y del
UNS, aunque usualmente se usa la denominación metales Ferrosos y No Ferrosos
para referirse a este grupo de materiales.
Los metales ferrosos son fundamentalmente materiales de hierro que tienen
agregado carbono, de ahí su importancia.
Aceros: aleaciones con menos de 2% de C
Metales ferrosos
Hierros colados o de fundición: Aleaciones con más de 2% de C
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En el hierro colado, la forma predominante del carbono es grafito.
En el caso del acero, el carbono se combina con el hierro formando una
solución sólida, en diferentes tipos de fases, como por ejemplo carburo de
hierro o cementita.
Los depósitos de los cuales proviene el hierro no lo producen puro, sino que
viene como una combinación de hierro con otros elementos, tales como azufre,
carbono, carbonatos de diversos minerales, etc.
Estas impurezas le dan propiedades indeseadas al hierro, por lo que se le debe
dar un tratamiento adecuado.
El azufre, por ejemplo, lo vuelve quebradizo al combinarse debido a la
formación de líquido, por lo que para eliminarlo se le debe agregar manganeso
durante el proceso de fundición.
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ACEROS
La clasificación de los aceros se basa en su composición principalmente,
además de sus propiedades mecánicas. Otras clasificaciones son en base a
sus métodos de acabado o por tamaño y forma.
Clasificación en base a su composición:
Principalmente en base a su contenido de carbono y otros contenidos de
aleantes: Bajo carbono, Carbono medio y Alto carbono
Contenido de carbono
Contenido de aleación
Bajo carbono (<0.25%)
Carbono simples, sin aleantes, excepto
Mn hasta un 1.65%
Carbono medio, 0.25 – 0.55%
Baja aleación, contenido total: <5%
Alto carbono, >0.55% (aceros para
herramientas e inoxicables)
Alta aleación, contenido total: >5%
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Clasificación de los aceros en base a su resistencia:
Esta clasificación se realiza en base a las propiedades de los aceros al
carbono simples con baja fluencia; son los más comunes y fáciles de obtener.
La microestructura predominante en este tipo de materiales es la ferritaperlita o perlita reducida.
La resistencia de los aceros microaleados se debe principalmente al tamaño
de grano fino de la ferrita que los compone, además del endurecimiento
debido a la precipitación.
Para alcanzar los más altos valores de resistencia a la deformación es
necesario tratar el material para obtener estructuras de bainita o de
martensita templada y revenida.
Los aceros de alta resistencia son aceros al medio carbono, baja aleación,
templados y revenidos.
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Aceros inoxidables
Estos aceros se caracterizan principalmente por un contenido del 10.5% en
peso de Cr. En la mayoría de aceros inoxidables, el contenido de Cr es del 30%
máximo y con contenidos de hierro del 50%. El carbono está entre 0.3 y 1.2%.
Posibles aleantes: Ni, Mo, Cu, Ti, Al, Si, Nb, N, S, Se.
Hay 5 tipos de aceros inoxidables y se basan en la microestructura de la
aleación formada en ellos:
1. Aceros ferríticos: Constan principalmente de ferrita con pequeñas
cantidades de formadores de austenita (C, N, Ni); contienen entre 10.5 y
30% de Cr.
2. Aceros austeníticos: La presencia de austenita les da excelente ductilidad y
tenacidad. El trabajo en frío ocasiona la formación de martensita. Contienen
de 16 a 26% de Cr, hasta 35% Ni y hasta 20% Mn.
3. Aceros martensíticos: Se obtiene martensita por enfriamiento rápido de la
austenita. Hasta 14% de Cr, bajo carbono
4. Aceros dúplex: cantidades 50% de austenita y ferrita. 22-26% Cr.
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5. Aceros endurecidos por precipitación: Puedes ser austeníticos,
semiausteníticos o martensíticos. Tienen contenido muy bajo de carbono
(<0.04%). Se emplea Al, Ti, Nb y Cu.
HIERRO COLADO
El sistema hierro-carbono tienen dos sistemas de equilibrio: hierro-cementita
(Fe3C) y hierro-grafito.
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Tipo de
hierro
Carbono
Silicio
Manganeso
Azufre
Fósforo
Blanco
1.8-3.6
0.5-1.9
0.25-0.8
0.06-0.2
0.06-0.2
Maleable
2.2-2.9
0.9-1.9
0.15-1.2
0.02-0.2
0.02-0.2
Gris
2.5-4.0
1.0-3.0
0.2-1.0
0.02-0.25
0.02-1.0
Dúctil
3-4
1.8-2.8
0.1-1.0
0.01-0.03
0.01-0.1
Con grafito
2.5-4.0
1-3
0.2-1.0
0.01-0.03
0.01-0.1
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Metales No Ferrosos
Los otros dos metales estructurales que son usados extensamente son el
aluminio y el titanio.
Otros materiales se aplican en diversos segmentos, como el eléctrico para el
cobre, y el de la corrosión, para el níquel.
Existen también denominaciones para estas aleaciones del tipo recocido,
endurecido por deformación o fabricado tal cual.
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Cerámicos y Vidrios
Son compuestos inorgánicos no metálicos de C, O, N, B, Si unidos de forma
predominantemente iónica. Tienen puntos de fusión elevados, gran dureza y
resistencia mecánica y elevada fragilidad. Las cerámicas avanzadas cuentan
con propiedades eléctricas altas. La mayor parte de su uso radica en
procesos de alta temperatura, refractarios y como revestimiento.
Las cerámicas tradicionales se elaboran con arcilla o minerales no arcillosos,
principalmente óxidos. Los productos de este tipo son: refractarios, cemento,
cerámicas blancas, esmaltes, etc.
Las cerámicas avanzadas se fabrican con un alto grado de pureza, dadas sus
elevadas propiedades mecánicas, ópticas, eléctricas y/o magnéticas. Como
ejemplos están los carburos, nitruros, boruros, óxidos puros, cerámicas
magnéticas y superconductoras, ferroeléctricas, piezoeléctricas, etc.
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Los vidrios también se clasifican como tradicionales y avanzados.
Los vidrios tradicionales se obtienen directamente por fusión de silicatos.
Debido a esto, solamente presentan orden de corto alcance, son amorfos y se
dice que carecen de estructura cristalina. Económicamente, la mayor
producción de vidrios de este tipo está dedicada a los vidrios de silicato
sódico-cálcico, para la producción de ventanas y botellas.
Los vidrios avanzados presentan propiedades importantes como transparencia
óptica, resistencia eléctrica y resistencia a la corrosión, propiedades
magnéticas, etc. Ejemplos: fibras de sílice, vidrios diferentes al silicato
(halogenuros, calcogenuros, metálicos),
Cuando un vidrio es tratado térmicamente para inducir el crecimiento de
regiones cristalinas, es llamado vitrocerámico o cerámica vítrea.
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Polímeros
Un polímero es un material puro que es el producto
macromolecular del proceso de polimerización. Estas cadenas
pueden contener combinaciones de azufre, carbono, hidrógeno,
oxígeno, nitrógeno, cloro y flúor. Durante su manufactura son
líquidos y fácilmente moldeables a su estado de producto
terminado. Cuando se le agregan aditivos, el resultado es
conocido como resina o plástico. Por ser del tipo
eminentemente orgánico, el enlace que prevalece en ellos es el
covalente.
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MATERIAS PRIMAS
Las materias primas es un tema importante ya
que de ellas se parte en la industria para obtener
el resultado final por medio de un proceso
térmico o mecánico en las industrias de la
metalurgia y la cerámica, y algo similar ocurre
con los compósitos. Es diferente el caso de los
polímeros, ya que la gran mayoría de ellos son
sintéticos, aunque existen algunos naturales.
Los metales y los cerámicos comparten un origen
común: la tierra y el suelo. Los metales son extraídos
directamente de las minas y pasan por un proceso de
purificación. Las cerámicas, por su parte, son extraídas
de canteras y minas y el proceso de purificación que se
les da a las materias primas es prácticamente nulo.
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MATERIAS PRIMAS EN LA INDUSTRIA CERÁMICA
En la industria cerámica, las propiedades de las materias primas tienen una
fuerte influencia en el procesado y naturaleza del producto final. Algunos
factores importantes de las materias primas son: composición química y
mineralógica, pureza, contenido de humedad, distribución del tamaño de
partícula, tamaño de partícula promedio, área superficial del polvo, densidad
de la partícula, forma de la partícula y capacidad de intercambio químico en
el caso de los materiales arcillosos.
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Arcillas
En la industria, la palabra “arcilla” se utiliza para definir varios tipos diferentes
de material.
Muchas veces se refiere a un grupo particular de minerales de arcilla pura,
que tienen una composición definida y una estructura cristalina
característica.
En otras ocasiones, se refiere a una mezcla natural o manipulada de
minerales que contiene un mineral arcilloso como parte de la mezcla y que se
vuelve moldeable al agregarle agua.
Los reales minerales de arcilla se encuentran en grandes depósitos en la
naturaleza, los cuales se explotan comercialmente en todo el mundo. Estos
minerales son silicatos de alúmina hidratados, formados por la alteración y
resquebrajamiento de rocas ígneas.
Las fuentes más importantes de arcilla son las rocas de feldespato o de
granito, que son una mezcla de feldespato, cuarzo y mica.
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La alteración gradual de las rocas primarias para formar la arcilla ha tomado
millones de años, por la acción del calor en el interior de la Tierra, las altas
presiones de gases y agua. Por ello, en ocasiones se encuentran los depósitos
de arcilla mezclados con restos de las rocas primarias; tales depósitos son
llamados depósitos primarios o residuales de arcilla.
La acción de la tierra y el agua ha purificado parcialmente los depósitos de
arcilla. Estas partículas finas has sido transportadas y lavadas en las
corrientes de los ríos para depositarse en mantos acuíferos de lagos o
cercanas a los mares. Estos depósitos son llamados depósitos de arcilla
secundaria o sedimentaria.
Estos depósitos contienen también algunas impurezas minerales finas, así
como restos orgánicos como resultado de la vegetación que arrastran.
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Componentes de la arcilla
El mineral arcilloso más abundante es la caolinita, que es un silicato de
aluminio hidratado [Al2Si2O5(OH)4]. Un mineral en bruto que consiste
predominantemente de caolinita se conoce como caolín.
Los depósitos secundarios de mejor calidad se hallan en el sureste de EU, en
Cornwall, Inglaterra. Y por supuesto, en China, por lo que a este mineral se le
conoce como “arcilla china”.
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La propiedad más importante del caolín es que al agregarle agua, se vuelve
plástica: la pasta resultante puede ser moldeada, manteniendo su nueva
forma.
Esta plasticidad es una compleja función del tamaño de partícula, forma de
la partícula y contenido de impurezas. Los caolines procedentes de
diferentes depósitos pueden variar tanto en tamaño de partícula como en
contenido químico y mineralógico, por lo que el cambio de uno por otro en
un proceso se debe analizar con cuidado, dando lugar a una reformulación, si
se desea usar esta materia prima
El caolín es un ingrediente primordial en muchas productos cerámicos
tradicionales debido a sus propiedades de quemado y plastificación.
La mullita es producto de la descomposición térmica del caolín y forma parte
importante de las cerámicas quemadas arcillosas, debido a sus propiedades
mecánicas y de bajo encogimiento.
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Los caolines esféricos o ball clays son arcillas con una elevada plasticidad y
adherencia al mezclarse con agua, debido a tamaños de grano
particularmente finos. Esta propiedad les hace útiles como agregados a
otros caolines menos plásticos. Estos minerales son oscuros debido a la
presencia de material orgánico fino.
La alta plasticidad se logra añadiendo grandes cantidades de agua a costa
de un elevado encogimiento durante el quemado y secado.
La montmorilonita es otro mineral importante relacionado más con la mica
estructuralmente. Tiene una fórmula Al2Si4O10(OH)2 aunque tiene
cantidades importantes de hierro, magnesio y potasio en su estructura.
La pirofilita tiene la misma fórmula química que la montmorilonita, pero
sin impurezas atómicas en su estructura. Se utiliza principalmente en la
industria del azulejo.
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La estructura de la montmorilonita es del tipo de capas intercaladas por
moléculas de agua, lo que produce el deslizamiento entre ellas. Se ocasiona
una expansión del polvo seco por la absorción de agua.
Bentonita: vidrio volcánico formado por el rozamiento de las capas de la
tierra y por las inclemencias del tiempo en forma de polvo de tamaño de
grano muy fino. Su principal constituyente es la montmorilonita. Si se mezcla
con agua es altamente adherente, por lo que se utiliza para mejorar la
maleabilidad de las formulaciones.
Ilita es otro de los minerales relacionados a la mica y es un constituyente
común de muchas arcillas utilizadas en el sector estructural.
Pizarra se denomina a los depósitos de mezclas de arcillas comprimidas de
manera natural, en combinación con arena y otros minerales. Son plásticas
gracias al contenido de arcilla y se vuelven rojas-cafés al quemado debido al
contenido de hierro. El contenido de yeso (CaSO4(OH)x) y sus efectos son
contrarrestados por la adición de sales de bario.
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Otro tipo de arcillas son las arcillas de quemado, que son depósitos
principalmente de caolinita, aunque con algún contenido de otros
minerales como diásporo, que aumentan el contenido total de
alúmina (Al2O3). Son más o menos plásticas y se usan principalmente
para la producción de refractarios.
Talco: es un mineral de silicato de magnesio hidratado
(Mg3Si4O10(OH)2) de tipo arcilloso y con estructura similar a la de la
pirofilita. Se le llama así probablemente debido a su textura suave y
polvosa. Se utiliza enormemente en la fabricación de porcelanas,
azulejos, objetos de ornato y en aislantes eléctricos de baja pérdida.
Igualmente se usa en la porcelana de baja expansión térmica con
contenidos de cordierita.
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Materiales fundentes.
Un fundente es un material que disminuye la temperatura necesaria de
quemado de un cerámico al reaccionar con otros materiales presentes,
formando una fracción de vidrio fundido.
Los más notorios e importantes fundentes son compuestos que contienen
metales alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs), alcalino térreos (Ca, Mg, Sr, Ba), óxido de
boro, óxidos de plomo o fluoruros.
Los feldespatos son de este tipo de materiales. Forman vidrio a temperaturas
moderadas. Los más importantes son aluminosilicatos de sodio, potasio o
calcio. Los feldespatos puros conocidos son la albita (NaAlSi3O8), la ortoclasa
(KAlSi3O8) y la anortita (CaAl2Si2O8). Se hallan a menudo juntos en la
naturaleza.
De hecho, la albita y la anortita forman una solución sólida completa,
conocida en términos minerales como la familia de feldespatos plagioclasia.
Por su parte, la región de solución sólida es muy pequeña entre anortita y
ortoclasa.
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De gran importancia para la industria cerámica tradicional es la mezcla de
albita y ortoclasa, de modo que se especifica por la relación soda a potasa
(Na2O:K2O).
Los feldespatos, por sus características de grano fino y composición, se
separan de las impurezas minerales por medio de flotación química y
separación magnética.
Nefelina-sienita: es un material fundente compuesto de 75% de
feldespatos de sodio y potasio y 25% del mineral nefelina (NaAlSi2O4).
La soda ash es otro material fundente de fórmula Na2CO3.xH2O, siendo el
precursor para la formación de soda u óxido de sodio (Na2O), material
fundente usado en la producción de vidrio plano.
El bórax es un mineral de borato de sodio hidratado (Na2B4O7).10H2O. Este
mineral se descompone durante el proceso para producir dos fundentes,
soda y óxido de boro, por lo que es un potente aditivo al proceso. Se utiliza
en la industria del vidrio, esmaltes y porcelanas.
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Por su parte, los óxidos de plomo se usan en la industria del vidrio
para producir los llamados “cristales” transparentes. Los principales
óxidos de plomo son el litargio (PbO), el plomo rojo (Pb3O4) y el plomo
blanco (2PbCO3·Pb(OH)2). Sin embargo, éstos compuestos son
sintéticos y no se hallan en la naturaleza.
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Sílica
Se encuentra en varias estructuras en la naturaleza. En su forma de
cuarzo (SiO2) es la segunda materia prima más utilizada, sólo después de
las arcillas. Es el constituyente principal de cualquier vidrio comercial, así
como forma parte de gran cantidad de formulaciones de esmaltes y
porcelanas. Asimismo, es el mineral más común en la superficie de la
Tierra, además de hallarse enlazado dentro de la estructura cristalina
con gran cantidad de otros minerales.
La sílica es ampliamente usada en la industria del vidrio, fabricación de
porcelanas y esmaltes, cuerpos refractarios resistentes a fusiones ácidas.
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Óxidos Refractarios
En ocasiones se necesitan materiales que resistan muy altas
temperaturas y el ataque químico, algo que no se logra con las arcillas
por su naturaleza.
Los óxidos que soportan altas temperaturas se usan como aditivos
para incrementar la refractariedad de un producto.
Alúmina (Al2O3). Se obtiene de la bauxita por el proceso Bayer.
Al2Si2O3(OH)4 (caolinita) + 5 H2O = 2 Al(OH)3 (gibbsita) + 2 Si(OH)4
Óxidos refractarios básicos: MgO, Cr2O3, CaO. Usualmente se obtienen
de los carbonatos de estos metales. Magnesita (MgCO3), Lima
(CaCO3), dolomita (CaCO3·MgCO3), Cromita (FeCr2O4)son los
precursores de estos minerales.
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Materias primas varias
Se utilizan una gran cantidad de materias primas para la
industria de la cerámica:
Grafito
Minerales de Silimanita (Al2SiO5): cianita, silimanita, andalucita.
Carburo de Silicio (SiC).
Zirconia y Zircón (ZrO2, ZrSiO4)
Estructuras Posibles
•
•
•
•
PVC
Caolinita (Al2Si2O3(OH)4)
Nefelina (NaAlSi2O4) o feldespato (KAlSi3O8)
Mullita
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Selección de Materiales en la industria
del plástico
Se presentan las masas de inyección más usuales en cuanto a
materiales termoplásticos.
Acetato de celulosa
Elevada tenacidad, tacto agradable, buen brillo, atrae poco el polvo,
estabilidad limitada a la humedad y calor. Se usa en artículos de
moda, objetos de uso, revestimientos, juguetes, tacones, accesorios
eléctricos, etc. Temperatura de uso: 60-85ºC. Estable ante bencina,
aceites y grasas. Inestable ante ácidos, álcalis, ésteres, cetonas,
éteres, HC clorados, carburantes. Contracción de 0.5 a 0.7%.
Etilcelulosa
Alta tenacidad, aunque al calor se reduce drásticamente. Se usa en
bobinas, prensados para volantes, auriculares, correderas para
paraguas. Temperatura de uso: 66ºC. Inestable frente a ácidos y
álcalis concentrados, ésteres, bencina, benzol. Contracción de 0.4 a
0.7%.
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Poliestireno (normal)
Gran rigidez, alta dielectricidad, resistente a la humedad, tiende a
formar grietas. Se usa en la construcción, piezas aislantes, objetos
domésticos, juguetes, bisutería, recipientes. Temperatura de uso: 6075ºC. Inestable ante ésteres, cetonas, éteres, HC clorados, benzol,
bencina, carburantes; relativamente ante aceites y grasas animales y
vegetales. Contracción entre 0.4 a 0.6%.
Poliestireno (anticalórico).
Alta estabilidad ante el calor y humedad, buenas propiedades
dieléctricas. Poca tendencia a formar grietas. Se usa en objetos
sometidos a esfuerzos térmicos, artículos electrotécnicos, de moda.
Temperatura de uso: 70-95ºC. Inestable ante ácidos concentrados,
ésteres, cetonas, HC clorados, benzol; relativamente ante álcalis
concentrados, alcohol, éter, carburantes. Contracción del 0.5 al 0.6%.
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Poliestireno antichoque
Alta digidez, buenas props. dieléctricas, resistente al choque, duro,
tenaz. Poca tendencia a la corrosión. Se usa en cajas de teléfono,
radio, TV, puertas de neveras, cajas de instalaciones, interruptores,
cubiertos, vasos, juguetes. Temperatura de uso: 60-70ºC. Inestable
frente a ésteres, cetonas, éter, HC clorados, benzol, bencina,
carburantes. Contracción del 0.4 al 0.6%.
Masas SAN (estireno-acrilonitrilo)
Dureza, tenacidad, resistencia a desgaste, resistencia al
envejecimiento, inocuo. Se usa en cajas y aparatos de oficina y
domésticos, radio y TV, aparatos de reproducción de sonido, vajillas.
Temperatura de uso: 85ºC. Inestabilidad ante ácidos concentrados,
HC clorados, ésteres y éteres.
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ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno)
Tenacidad, gran resistencia, rigidez y dureza. Estable al envejicimiento,
buenas propiedades dieléctricas, inocuo. Se usa en la industria
automotriz, cajas y piezas para máquinas de oficina, teléfonos,
domésticos, transporte, revestimientos, piezas de radio, TV y
magnetófonos, juguetes. Temperatura de uso: 60-80ºC. Inestabilidad
ante ácidos concentrados, HC clorados, ésteres, cetonas, éteres.
Contracción de 0.4 a 0.6%.
Polimetil-metacrilato
Alta resistencia mecánica, dureza superficial, estabilidad a la
intemperie, muy transparente, se usa en elementos de construcción
con óptica, piezas de moda, vidrios para gafas, teclas, instrumentos
musicales. Temperatura de uso: 70-90ºC. Inestable ante ácidos y
álcalis concentrados, ésteres, cetonas, éteres, HC clorados, bencina,
carburantes. Contracción de 0.4 a 0.7%.
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Polivinil-carbazol
Gran estabilidad al calor, elevadas propiedades dieléctricas, rígido. Se
usa en piezas de aislamiento eléctrico con altas cargas térmicas.
Temperatura de uso: 170ºC. Inestable frente a benzol. Contracción
del 0.6%.
Policarbonato
Alta resistencia mecánica con la temperatura, baja expansión, buenas
propiedades dieléctricas, poca absorción de agua. Se usa en piezas de
aislamiento para la iluminación, industria eléctrica y automotriz,
aparatos esterilizables, cascos de seguridad, lentes, cajas, núcleos de
bobinas, recubrimientos. Temperatura de uso: 110-135ºC. Inestable
ante álcalis concentrados, cetonas, éteres, HC clorados, benzol.
Soporta el agua hirviente. Relativa estabilidad ante ácidos
concentrados, álcalis. Contracción entre 0.4 y 0.8%.
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PVC rígido
Buena resistencia, dureza y tenacidad, resistente a la herrumbre y
corrosión, buenas propiedades dieléctricas, poco combustible. Se usa
en accesorios y válvulas, piezas de bombas, discos, juntas,
aislamiento eléctrico, cubetas de revelado, máquinas de oficina.
Temperatura de uso: 60-70ºC. Inestable ante éster, cetona, éter, HC
clorados, benzol, carburantes. Contracción del 0.4 a 0.5%.
PVC posclorado
Estabilidad de forma hasta 105ºC, buena resistencia, dureza,
tenacidad, resistente a la herrumbre y corrosión, buenas propiedades
dieléctricas, difícilmente combustible. Se usa en tuberías de desagüe,
tubos de presión, cuerpos de relleno, cajas eléctricas, válvulas, piezas
galvanotécnicas. Temperatura de uso: 80-90ºC. Inestable ante éter,
benzoles, HC clorados, ésteres, cetonas. Contracción del 0.5 al 0.6%.
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PVC flexible
Muy elástico, no se recomienda en alimentos. Se usa en juntas,
elementos de amortiguación, juguetes, soportes, mandos, botas,
zapatos, suelas. Temperatura de uso: 40-70ºC. Inestable frente a
alcohol, éster, cetonas, èteres, HC clorados, benzol, bencina,
carburantes; relativamente ante ácidos y álcalis concentrados, aceites
y grasas. Contracción del 1.5 al 3%.
Poliamida
Gran alargamiento y tenacidad, poca fricción, poco desgaste, buena
estabilidad ante el calor, absorbe mucha agua, quebradizo al secarse.
Se usa en piezas técnicas, engranajes, cojines, cajas de rodamientos,
embragues, cascos, aparatos, médicos. Temperatura de uso: 90110ºC. Inestable ante ácidos, álcalis concentrados, cetonas.
Contracción del 1 al 2.5%.
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Poliuretano
Alta resistencia, poca contracción, resistente al desgaste, buenas
propiedades dieléctricas, poca absorción de agua. Se usa en objetos y
piezas técnicas, piezas para lavadora, asilamiento, aspiradoras,
cojinetes, engranajes, juguetes, juntas. Temperatura de uso:88ºC.
Inestable frente a ácidos concentrados; relativo frente a alcohol,
cetonas, HC clorados. Contracción del 0.9 al 1%.
Polietileno de alta densidad.
Alta rigidez, estabilidad al a temperatura y de forma, excelentes
propiedades dieléctricas. Se usa en utensilios domésticos, juguetes,
recipientes de transporte, botellas, piezas para altas frecuencias,
aparatos médicos, cajas. Temperatura de uso: 105ºC. Inestable ante
HC clorados, benzol, bencina, carburantes; relativo ante ésteres,
cetonas, éteres, aceites y grasas.
Ciencia de Materiales I
Polietileno de baja densidad
Alta flexibilidad, buena resistencia térmica, buenas propiedades
dieléctricas. Se usa en recipientes domésticos, juguetes, flores,
frascos, embalaje, aparatos médicos, piezas para alta frecuencia.
Temperatura de uso:85-95ºC. Inestable ante HC clorados, benzol,
bencina, carburantes; relativo frente a ésteres, cetonas, éteres,
aceites y grasas. Contracción del 1.5 al 3%.
Politrifluorocloroetileno (PCTFE)
Alta estabilidad química y térmica, alta resistencia y dureza, buenas
propiedades de deslizamiento, buenas propiedades dieléctricas,
inocuo, no inflamable. Se usa en piezas para construcción de
aparatos, válvulas, llaves, rodamientos, ruedas, juntas, accesorios
para aparatos eléctricos. Temperatura de uso: 190-200ºC. Muy baja
inestabilidad. Contracción del 1 al 2%.
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Polipropileno
Gran estabilidad ante el calor, resistencia a la tracción, rigidez,
resistente a la corrosión por tensiones, esterilizable, sin absorción de
agua, quebradizo por debajo de 0ºC. Se usa en recipientes de uso,
juguetes, aparatos eléctricos, cascos, tacones. Temperatura de uso:
120-130ºC. Inestable ante ácidos y álcalis concentrados, HC clorados,
benzol, bencina, carburantes; relativa frente a alcohol, ésteres,
cetonas, éteres, aceites y grasas. Contracción variable de 1.2 a 2.5%
hasta 2 a 3%, según la partida.
Óxido de polifenileno
Gran estabilidad ante el calor, gran resistencia mecánica, buenas
propiedades dieléctricas con la temperatura. Se usa en piezas de
lavadoras, lavaplatos, instalaciones de agua caliente, componentes
electrónicos, artículos domésticos, intrumentos médicos, clavos,
tornillos, piezas técnicas. Temperatura de uso: 175ºC. Poca
inestabilidad. Contracción del 0.7 al 0.8%.
Ciencia de Materiales I
Enlace Atómico y Estructuras Cristalinas
De una manera simplista, el átomo puede visualizarse como un núcleo rodeado
por electrones. Las zonas en las que los electrones se mueven alrededor de los
núcleos se llaman capas cuánticas, identificadas por el número cuántico principal
n. Cada capa contiene 2n2 electrones.
El oxígeno tiene 8 electrones con notación electrónica 1s22s22p4.
Conforme aumenta el número atómico y, por tanto, el número de electrones, la
diferencia energética entre electrones y entre capas disminuye, dándose un
solapamiento de grupos cuánticos. Por ejemplo, el subnivel 4s en el hierro se
llena antes de que se complete el subnivel 3d.
Hierro = 1s22s22p63s23p63d64s2
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Enlaces
Existe una fuerza de atracción electrostática positiva de largo alcance en equilibrio
con una fuerza de repulsión para producir una afinidad química. El resultado es la
fuerza de enlace. La energía de enlace da una idea del punto de fusión, del
coeficiente de expansión térmica y del módulo de Young.
Existen tres tipos primarios de enlace: metálico, iónico y covalente.
Enlace metálico
Es el tipo de enlace predominante entre los metales y es de tipo electrónico,
debido a que los electrones de valencia se comparten libremente entre la
comunidad de átomos en la estructura. La repulsión electrostática y las leyes de la
física cuántica mantienen a los electrones estadísticamente distribuidos
uniformemente en toda la estructura.
Ciencia de Materiales I
El enlace insaturado de los iones metálicos tiene como consecuencia un
empaquetamiento compacto: los iones son todos del mismo tamaño y los
electrones se distribuyen uniformemente en todas direcciones en un instante
dado. Esto a su vez afecta las propiedades para formación de aleaciones y las
propiedades mecánicas de los metales.
Además, la libertad de movimiento de los electrones produce altas
conductividades eléctricas y térmicas bajo un gradiente apropiado.
Enlace iónico.
El enlace iónico se da entre elementos extremos de la tabla periódica, que son
muy electronegativos o muy electropositivos. Se forman iones positivos o
negativos con configuraciones de capa cerrada en el proceso. De este modo, un
ion positivo debe verse rodeado de iones negativos y viceversa.
Por la fuerza del enlace, es necesario equilibrar las cargas. De igual modo, dado
que los electrones están localizados sobre el ion electronegativo, la
conductividad de este tipo de compuestos es relativamente mala. Se produce en
ellos un alto punto de fusión.
Ciencia de Materiales I
El tamaño relativo de los iones determina el número de coordinación en un
compuesto iónico. Con relaciones catión-anión de 0.155 a 0.225 se halla que es
más probable una coordinación de 3. Para relaciones de 0.225-0.414 es más
probable una coordinación de 4. Con relaciones de 0.414-0.732 se hallan
coordinaciones de 6, y para mayores de 0.732, números de coordinación de 8.
En las estructuras con enlace iónico también es frecuente hallar
empaquetamientos compactos, dado el enlace entre subcapas s, dándole al
enlace una naturaleza esférica y no direccional.
Enlace covalente
En este enlace los átomos comparten electrones para obtener una capa
estable llena. En este caso, el enlace es direccional y consiste de un par de
electrones compartidos entre dos protones.
Las cerámicas con enlaces covalentes son duras, fuertes y con altos puntos de
fusión, aunque esta no es una característica del enlace covalente.
Ciencia de Materiales I
La mayoría de los compuestos orgánicos, por ejemplo, no comparten estas
propiedades.
Debido a la naturaleza direccional del enlace, se dan estructuras en este caso
que no son del tipo de empaquetamiento compacto, afectando a propiedades
dependientes de la densidad, como punto de fusión y expansión térmica.
Enlaces de van der Waals
Es una fuerza débil de atracción que existe entre átomos y moléculas. Esta
atracción se da principalmente por la formación de dipolos débiles y atracción
electrostática entre los extremos con carga opuesta de estos dipolos. Cuando
esta atracción se da a gran alcance, se da la formación de líquidos o sólidos a
bajas temperaturas.
Las diferencias en electronegatividad también son suficientes para crear
dipolos en moléculas de más de un elemento. Los puentes de hidrógeno son la
fuerza por la que se mantienen unidas las cadenas poliméricas.
Introducción a estructuras simples
La técnica más común para analizar estructuras es la difracción de rayos X, que es
capaz de caracterizar espaciamientos del orden de 1 Å o 100 pm. Una gran cantidad
de estructuras sólidas pueden interpretarse en términos del empacamiento de
esferas.
Empaquetamiento compacto
Ciencia de Materiales I
Capa A
x
o
x
x
x
x
o
o
o
o
o
x
x
x
x
x
o
o
o
o
o
Capa B
La repetición de este patrón lleva a un arreglo de apilamiento tipo ABAB… conocido como
empaquetamiento cúbico hexagonal (hcp). Sin embargo, si la tercera capa se coloca sobre
los huecos marcados con puntos, la secuencia es diferente y se conoce como ABCABC… y
es conocido como el empaquetamiento cúbico compacto (ccp).
Además, los huecos marcados con “o” tienen forma octaédrica debido a que están
rodeados por 6 esferas. Los huecos que se forman sobre los puntos marcados con “x” son
de tipo tetraédrico, con coordinación 4.
Ciencia de Materiales I
En algunas ocasiones no se consigue el empaquetamiento compacto, aunque
se consigue otro tipo un poco menos eficiente como la estructura cúbica
centrada en el cuerpo (bcc). Para esta estructura, un átomo está rodeado por
8 esferas en las esquinas de un cubo, con una coordinación de 8 y una
eficiencia de empaquetamiento del 68%.
El más simple tipo de estructura cúbica es la primitiva, que se consigue al
colocar capas de esferas directamente encima una de la otra. Los átomos
ocupan las esquinas de un cubo y el número de coordinación es de 6.
Ciencia de Materiales I
Ciencia de Materiales I
Estructuras cristalinas
La celda unitaria define un patrón o conjunto de puntos que se repiten en una
estructura cristalina.
Una celda unitaria tridimensional se caracteriza por sus 3 vectores de
traslación unitarios a, b y c, que reciben el nombre de ejes cristalográficos.
Los parámetros característicos de una celda unitaria son las magnitudes de los
3 ejes a, b y c, en conjuntos con el ángulo que se forma entre ellos, a, b y g.
Son los llamados constantes reticulares o parámetros de red de la celda
unitaria.
Ciencia de Materiales I
El primer paso en el análisis cristalográfico es la construcción de una red
espacial puntual, que se construye trasladando los tres vectores
unitarios en todas las direcciones en el espacio. La operación para
obtener cualquier punto en el espacio de esta red puntual es:
P=ua+vb+wc
Por tanto, cada punto del retículo espacial puede representarse por un
vector P.
Es común que la descripción de los átomos que están dentro de la celda
unitaria sean descritos por fracciones, dado que son desplazamientos
menores a 1. Por ejemplo, media traslación queda como P= ½ a + ½ b +
½ c, por lo que las coordenadas vectoriales son ( ½, ½, ½ ).
Ciencia de Materiales I
La organización de los átomos en el espacio permite solamente 7 maneras
independientes de clasificar las celdas unitarias, conocidas como sistemas
cristalinos.
Tabla 2-1 mangonon
Fig 2.1 Richerson
Ciencia de Materiales I
En algunos de estos sistemas se pueden agregar puntos ya sea en el centro de la
celda unitaria o en algunas caras sin que se pierda la condición de traslación,
consiguiendo asimismo que la red puntual generada quede sin cambios.
Las redes originales dan lugar, adicionalmente, a otras redes puntuales que se
designan con letras para diferenciarlas de las que les dieron origen.
•Las redes con puntos sólo en vértices: P (primitivas) o R (romboédrica)
•Redes con un punto en el interior de la celda: I (centrada en el cuerpo).
•Redes con un punto en el centro de una cara o más: C (centrada en la base) o F
(centrada en las caras).
Bravais demostró que solamente existen 14 redes puntuales, por lo que estos
grupos son llamados Redes de Bravais.
Ciencia de Materiales I
Redes de Bravais
Ciencia de Materiales I
En ocasiones será necesario conocer el número de puntos (átomos)
que forman parte de una celda unitaria (átomos que describen una
celda unitaria):
NT = NI + NC/2 + NV/8
Ciencia de Materiales I
Los metales presentan usualmente varios tipos específicos de estructuras, entre los que
se encuentran: Estructura cúbica centrada en el cuerpo (CCC), cúbica centrada en las
caras (CC) y la hexagonal compacta (HC).
La celda hexagonal compacta merece una mención especial.
Si se efectúa una traslación de la base sobre el vector ( 2/3, 1/3, ½) o (1/3, 2/3, ½) se
tendrá la celda de la figura. Además de ello, los ángulos entre los ejes permiten un
acomodo de 3 celdas unitarias para producir un arreglo hexagonal. El arreglo de los
átomos en esta celda unitaria produce un número de coordinación 12, así como un
ordenamiento en capas de los átomos alrededor del átomo central.
El ordenamiento es llamado ABABAB… dada la repetición del tipo de átomos en planos
alrededor del central. Como todos los átomos se encuentran en contacto, esta estructura
es la de mayor densidad.
Ciencia de Materiales I
Dentro de las estructuras se dan también espacios vacíos que se llaman intersticios o
huecos en donde pueden caber átomos pequeños. El tipo de intersticios que existen son
principalmente de dos tipos: tetraédricos y octaédricos.
Direcciones
La dirección se identifica con las coordenadas vectoriales
del desplazamiento u, v, w del vector P. Estas coordenadas
o números se toman como los índices de Miller de la
dirección del origen a P y se encierran entre corchetes para
indicarlo. Se normalizan para dar los números enteros
primos más pequeños posibles. Ejemplo: [ ½ ½ 1 ], [ 1 1 2 ]
y[224]
De este modo, se indica toda una familia de vectores
mediante el uso de los índices de Miller.
En esta notación, los números negativos se indican con una
barra sobre el número.
Ciencia de Materiales I
Para el caso específico de una celda unitaria cúbica con un origen común O. El
desplazamiento o dirección a lo largo de +x se denotará como [100]. El
desplazamiento o dirección a lo largo de +y será [010] y a lo largo de +z será
[001]. Dadas las condiciones iniciales, estas direcciones siguen las aristas del
cubo y tienen la misma magnitud
Sin embargo, estos índices se han obtenido de la elección del origen y los ejes.
Si cambiásemos la designación de x a z, el cubo descriptivo no cambiaría,
solamente las direcciones [100] a [001].
Dado este efecto, esta familia de direcciones que no cambia en magnitud
debido al tipo de celda unitaria y que están relacionadas por simetría, son
llamadas direcciones de forma o familia de direcciones.
En la celda cúbica, las 6 direcciones mencionadas tienen los mismos números.
Como no se altera la simetría cambiando los ejes, se tiene un conjunto de
índices de Miller especial y para describirlo, se encierra entre paréntesis
angulares, <100>
Ciencia de Materiales I
Ciencia de Materiales I
Planos
Al igual que las direcciones, los planos de las redes cristalinas se pueden
identificar mediante índices de Miller, aunque se denominan con letras
diferentes. Los índices de Miller para los planos cristalinos se conocen por las
letras h, k, l y se encierran entre paréntesis.
Se aplican los mismos resultados para los planos que para las direcciones, al
haber planos similares relacionados por la simetría de la red y que son conocidos
como familias de planos y son equivalentes, encerrados entre llaves.
Los planos se intersecan por los ejes o direcciones. Por ejemplo, un plano que
tiene intersecciones en 3a, 4b y 2c, cada coordenada descrita por los vectores A;
B y C, respectivamente, puede ser descrito por la ecuación:
x y z
  1
A B C
BCx  ACy  ABz  ABC
Ciencia de Materiales I
Como podemos suponer de las relaciones de simetría que las redes guardan, se deduce
que los planos que se estudian son equivalentes a otros planos paralelos, por lo que:
hx  ky  lz  ABC  m(1)
En donde h=BC, k=AC y l=AB. Este representa al plano paralelo a una distancia m del
original.
En forma de intersecciones, la ecuación anterior es:
x
y
z


1
 1   1  1
     
h k  l 
Por tanto, los índices de Miller son los recíprocos de las intersecciones fraccionarias del
plano original. Si se consideran dentro de una celda unitaria, las intersecciones reales son
a/h, b/k, c/l
Ciencia de Materiales I
Para obtener los índices de Miller de un plano:
1.
2.
3.
4.
Identificar las intersecciones del plano en los ejes cristalográficos
Calcular los recíprocos de las intersecciones
Eliminar las fracciones
Representar los índices de Miller como el conjunto más pequeño de hkl
Si el plano es paralelo a cualquiera de los ejes, la intersección sobre ese eje está en el
infinito y el recíproco es 0.
Ciencia de Materiales I
Obsérvese que se han formado familias de planos para {1 0 0}, {1 1 0} y {1 1 1}.
Para la cara en x=1, y=∞, z= ∞, sus recíprocos son (1 0 0).
Para la cara de la derecha, x= ∞, y=1, z= ∞, sus recíprocos son (0 1 0).
Para la cara superior, x= ∞, y= ∞, z=1, los índices de Miller son (0 0 1).
Son un conjunto de planos en las caras, {1 0 0}.
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Cristalografía
Los primeros trabajos en cristalografía se hicieron por 1669, sobre los ángulos del
cuarzo con Niels Stenson, al proponer la ley de los ángulos interfaciales
constantes. Esto se comprobó finalmente hasta 1780 por Delisle, solamente al
haber recibido ayuda del goniómetro de contacto inventado por su ayudante
Carangeot.
Ley de los ángulos interfaciales constantes: En todos los cristales de la misma
sustancia, los ángulos entre caras correspondientes tienen el mismo valor.
Ciencia de Materiales I
Elementos y Operaciones de Simetría
Debe escogerse un origen dentro de la molécula considerada y a continuación
analizar la simetría de las líneas y planos respecto al origen de tal molécula. Como
se considera la simetría con respecto a un punto, este estudio se llama simetría
puntual.
Sin embargo, el estado cristalino se extiende en las tres direcciones y la simetría
puntual es insuficiente para describirlo por completo, por lo que se complementa
con la simetría traslacional.
Ciencia de Materiales I
Con el fin de dar una descripción cuantitativa de la simetría, se necesita definir
algunos elementos de ésta.
Elementos de simetría puntual en un cristal:
1. Eje de rotación propio
2. Plano de reflexión o espejo
3. Eje de rotación-inversión
Eje de rotación propio
Esta operación consiste en girar un
objeto sobre un eje imaginario
para producir una orientación del
objeto que es indistinguible de la
original.
El eje de rotación es conocido
como el elemento de simetría y la
operación de rotación se conoce
como la operación de simetría.
Ciencia de Materiales I
Existen varias posibilidades de rotación para conseguir la simetría y cada una
tiene una notación especial para ser reconocida rápidamente.
Ciencia de Materiales I
Notaciones de Simetría
Para la simetría puntual se usa comúnmente la notación de Schoenflies, aunque
también es muy usada la de Hermann-Mauguin.
Orden del
eje
Tipo de eje
Grados de
rotación
Símbolo
1
Identidad
360
1–E
2
Díada
180
2 – C2
3
Tríada
120
3 – C3
4
Tétrada
90
4 – C4
6
Héxada
60
6 – C6
Estos son los únicos ejes consistentes con la periodicidad traslacional.
Ciencia de Materiales I
Un eje de rotación debe respetar la periodicidad de la red. Esta periodicidad está
dada por una distancia entre los puntos de la red, que puede variar solamente por
múltiplos enteros. Es decir, la distancia entre dos puntos p1 y p2 estará dada como
p1-p2=a, mientras que la distancia de otro par de puntos p1’-p2’ deberá ser p1’p2’=na, donde n es un número entero n=0,1,2,3…
Si se analizan filas adyacentes en una red, se tiene para un eje de rotación:
b
p1 p2  a
b
P1’
p2’
p1 ' p2 '  a  2b  a  2a sin(  90)
p1 ' p2 '  a  2a cos 

P1
a
p2
na  a  2a cos 
1 n
cos  
2
Ciencia de Materiales I
Plano espejo
Es un plano que divide a un objeto, produciendo una imagen reflejada del mismo
en ambos lados del plano.
En este caso se tiene la
característica de que los planos
espejos contienen al eje de
rotación de orden 2. Según
Schoenflies, ambos planos se
denotan sv.
Ciencia de Materiales I
Ejemplo para el BCl3
Fig. 6-13
La designación de los planos se hace
con respecto al eje de mayor orden,
el cual, por convención, se designa
como el eje z. Por tanto, los 3 planos
espejo que contienen al eje de
rotación principal se designan como
sv, y el plano normal al eje de
rotación de 3er orden se designa
como sh.
En la notación de HM, un plano
espejo se indica sólo por m y la
combinación con el eje de rotación es
2m o 2/m, para vertical y horizontal,
respectivamente.
Ciencia de Materiales I
Eje de Rotación-Inversión
Es un elemento compuesto de una rotación seguido de una inversión sobre un
centro. Se conoce como eje de rotación impropio. Un eje de inversión se denota
con el número correspondiente al giro dibujado con una barra encima.
Fig. 6-14
Ciencia de Materiales I
Simetría de un cubo
Fig. 6-15
Fig. 6-16
Ciencia de Materiales I
Simetría de los 7 sistemas cristalinos
Sistema cristalino
Simetría mínima
Triclínico
1 (o 1)
Monoclínico
2 (o 2)
Ortorrómbico
222 (o 222)
Tetragonal
4 (o 4)
Cúbico
4 veces 3 (o 4 3)
Trigonal
3 (o 3)
Hexagonal
6 (o 6)
Ciencia de Materiales I
La clasificación de la tabla anterior permite considerar estructuras con
diferentes grados de simetría dentro del mismo sistema. Como se mencionó, el
sistema cúbico comprende 23 elementos de simetría, aunque existen
estructuras con menor cantidad de elementos que aún conservarán cuatro ejes
tríadas. Por ejemplo, la pirita.
Algunas figuras que comparten la simetría completa del cubo son el
dodecaedro y el octaedro regular.
Por otro lado, el tetraedro también tiene cuatro ejes tríada, aunque no
consigue tener el resto de los elementos. (4 ejes tríada, 3 ejes de inversión
impropios tétradas, 6 planos diagonales).
Al final, se puede mostrar que existen 32 clases diferentes de simetrías en los 7
sistemas cristalinos; es decir, los 7 sistemas aceptan diferentes grados de
simetría, para dar un total de 32.
Ciencia de Materiales I
Ciencia de Materiales I
Grupos espaciales
Existen operaciones adicionales que pueden producir el mismo
patrón de puntos que el visto anteriormente, en donde se
aplican operaciones de traslación.
Ciencia de Materiales I
Atendiendo a la morfología de un cristal, la clase particular a la cual
pertenece un cristal está determinada por la simetría del arreglo de las
unidades estructurales sobre un punto en la red de Bravais considerada.
Pero la simetría puede ser el resultado de diversas operaciones en el arreglo
interno. Para determinar todos los arreglos internos de las unidades
estructurales, se asocian los elementos de simetría de las distintas clases
cristalinas con cada punto en la red de Bravais apropiada, identificando
además los ejes de tornillo y planos de deslizamiento.
Este procedimiento produce los 230 arreglos diferentes, conocidos como los
230 Grupos Espaciales. La elevada complejidad en estos grupos proviene de
la extensión a una red espacial por medio de ejes de tornillo y planos de
deslizamiento.
Ciencia de Materiales I
Grupos espaciales, sistema monoclínico
Clase 2
P2
Clase m
C2
Pm
Clase 2/m
Cm
P2/m
C2/m
P21/m
P21
Pc
Cc
P2/c
C2/c
P21/c
Los grupos espaciales se obtienen de la aplicación de la simetría de grupos
puntuales a redes infinitas, tomando en cuenta las posibles simetrías de
traslación.
Ciencia de Materiales I
Grupos Espaciales: Operaciones de sitios equivalentes.
Símbolos
El símbolo de un grupo espacial muestra primero el tipo de red, después la
naturaleza de los ejes correspondientes a los tres conjuntos de direcciones
posibles.
Posiciones equivalentes
Las simetría de la red permite solamente determinadas posiciones dentro de
la celda, de tal manera que deben cumplirse inequívocamente. La
descripción de una posición permite, mediante la aplicación de las
operaciones de simetría, obtener o calcular todas las demás que existen
dentro de la celda unitaria.
En las Tablas Internacionales de Cristalografía se describen todos los grupos
espaciales.
Ciencia de Materiales I
Cálculo de posiciones equivalentes
El símbolo “+” significa una distancia z hacia adelante o arriba del nivel
indicado, “-” significa una distancia hacia atrás.
Cuando estos símbolos están precedidos por una fracción, indican que debe
sumarse o restarse esa fracción al origen de la celda unitaria para obtener
todas las posibles posiciones equivalentes.
En las Tablas Cristalográficas, se da la primera columna con el número de
posiciones equivalentes, dándole una letra específica en la segunda columna
para distinguir la posición. Éstas son llamadas las posiciones de Wyckoff. Se da
primeramente el conjunto general y posteriormente se dan el resto en orden
creciente de simetría.
En la tercera columna, se da el símbolo de simetría puntual de la posición,
para enseguida proporcionar las coordenadas de todas las posiciones
equivalentes del conjunto. Estas coordenadas son de tipo fraccionarias.
Ciencia de Materiales I
Ciencia de Materiales I
Diagramas de empaquetamiento
Es la representación bidimensional de planos o proyecciones del
contenido de la celda unitaria. Las posiciones atómicas se describen
por coordenadas fraccionales. Por ejemplo, una proyección yx posible
sería:
0.5
x
y
Ciencia de Materiales I
Estructura de CsCl
c
Blenda de Zinc
c
a
z
z x
y
y x
b
b
c
a
zx
y
b
a
Estructura NaCl
Ciencia de Materiales I
Sólidos iónicos con fórmula MX
CsCl
La estructura consiste de dos conjuntos de celdas cúbicas
primitivas. Cada Cs está rodeado por 8 Cl en las esquinas de un
cubo y viceversa. Número de coordinación: 8. La celda unitaria
contiene una unidad fórmula de CsCl. (CsBr, CsI, TlCl, TlBr, TlI,
NH4Cl).
NaCl
Consiste de dos conjuntos de celdas cúbicas centradas en las
caras (CCC). Cada Na está rodeado por 6 Cl formando un
octaedro. Número de coordinación: 6. Contiene 4 unidades
fórmulas de NaCl.
Ciencia de Materiales I
Blenda de Zinc
Puede verse como un arreglo cúbico con empaquetamiento
compacto de iones sulfuro, mientras el Zn ocupa los huecos
tetraédricos. La coordinación es 4. Haluros de cobre, sulfuros de Zn,
Cd y Hg forman este tipo de estructura.
La estructura de la wurzita forma un arreglo hexagonal compacto
sobre los iones sulfuros con huecos tetraédricos alternos ocupados
por el Zn. BeO, ZnO, NH4F.
Estructura fluorita y antifluorita
Puede verse como un arreglo cúbico compacto del calcio con
iones fluoruro ocupando los huecos tetraédricos; sin embargo, el
calcio es más pequeño que el fluoro y se tienen problemas para
alojarlo. Solamente los huecos octaédricos están desocupados.
En la antifluorita, las posiciones simplemente están invertidas.
Ciencia de Materiales I
Ciencia de Materiales I
Espinela
Tiene la fórmula general AB2O4 (MgAl2O4). A es un ion divalente (en
general) y B trivalente. Está basada en un empaquetamiento cúbico
compacto de oxígeno en donde A+2 ocupa los huecos tetraédricos y
B+3 los huecos octaédricos.
Un cristal de espinela que contiene una unidad fórmula tiene 8
huecos tetraédricos y 4 huecos octaédricos. Por tanto están
ocupados 1/8 de los huecos tetraédricos y un 50% de los
octaédricos.
Ciencia de Materiales I
Estructura Cúbica de Diamante
La estructura CD tiene una red de Bravais CC, aunque tiene 4 átomos
interiores adicionales en 4 de los 8 sitios intersticiales, presentando
enlaces tetraédricos que le corresponden.
Las posiciones atómicas son: (¼, ¼, ¼), ( ¾, ¾, ¼), ( ¾, ¼, ¾) y ( ¼, ¾, ¾)
para estos sitios adicionales
Ciencia de Materiales I
Relaciones críticas de formación de poliedros
Ciencia de Materiales I
Estructura de la sílica
Ciencia de Materiales I
Cristalinidad en los
polímeros
Los polímeros se forman
usualmente en cadenas
lineales en macromoléculas
gigantes. Si no existen
ramificaciones, pueden
apilarse, produciendo un
cierto grado de
cristalinización, y en algunas
ocasiones las moléculas
pueden plegarse sobre sí
mismas.
Ciencia de Materiales I
Defectos en Sólidos
Las imperfecciones en las estructuras cristalinas se analizan empezando por
los sitios intersticiales en ellas.
Intersticios: Cavidades poliédricas que se forman entre los átomos
empacados y existen en estructuras con empaquetamientos compactos.
Ciencia de Materiales I
Defectos puntuales
Son desviaciones del arreglo atómico perfecto, tales como ausencia de iones,
iones sustituidos, iones intersticiales y sus electrones de valencia incluidos.
Defectos iónicos: son defectos que ocupan posiciones atómicas en la red, tales
como vacancias, intersticios y solutos sustitucionales.
Defectos electrónicos: son desviaciones de la configuración del orbital
electrónico neutro de un cristal, ocasionados cuando los electrones de
valencia se excitan hacia niveles de orbital de energía más elevados.
Posibles causas: excitación térmica, agregación de impurezas, procesos de
oxidación-reducción.
Ciencia de Materiales I
La temperatura homóloga sirve como parámetro para comparar
propiedades de formación de defectos y difusionales (T/Tf).
Otra consideración es la disponibilidad de sitios propicios. Por ejemplo, una
red con empaquetamiento compacto (densa) no permitirá el alojamiento de
átomos en los intersticios. En la estructura de sal de roca, todos los sitios
octaédricos están ocupados.
Compuestos no estequiométricos: Son aquéllos en los que la relación
metal/anión se aleja significativamente del valor ideal en el que se basa la
estructura, ocasionado por múltiples estados de valencia.
Wustita, Fe1-xO. Soluciones sólidas con solutos aliovalentes, CaO en ZrO2.
Ciencia de Materiales I
Desorden iónico intrínseco
La formación de defectos es un proceso activado térmicamente. La
concentración de defectos se da como resultado de un aumento en la
entropía, el cual provoca un aumento de la energía libre del sistema, el cual
debe balancearse a su vez con el aumento de la energía para formar
defectos.
Tipos de defectos cristalinos:
Defectos de Schottky: consiste en la creación simultánea de vacancias
aniónicas y catiónicas.
Ciencia de Materiales I
Defectos de Frenkel: Se forman cuando un átomo es desplazado de su
posición normal hacia un sitio intersticial, para formar un par defectuoso: un
par vacancia-intersticio.
Ciencia de Materiales I
Concentración de defectos
G = G0 + nDgf – TDSc
DG = (G – G0) = nDgf – TDSc
Dgf=Energía de formación de
par Frenkel
DSc=Incremento en entropía
configuracional
DSc = k ln W
Wv 
N!
( N  nv )!nv !
N!
Wi 
( N  ni )!ni !


N!

DSc  2k ln 
 ( N  n)!n! 
DSc  2k N ln N  ( N  n) ln( N  n)  n ln n
Ciencia de Materiales I

 N 
 N  n 
DG  nDg  2kT  N ln 
  n ln 

 N n
 n 

n
 Dg 
 Ds 
 Dh 
 exp  

exp
exp

 


N
 2kT 
 2k 
 2kT 
Defectos intrínsecos y extrínsecos
Algunos compuestos pueden tener elevadas energías de formación de
defectos, por lo que para producir determinados efectos y propiedades
se utilizan solutos de diferente naturaleza.
Mientras los defectos intrínsecos aumentan con la temperatura, los
extrínsecos son casi constantes.
Ciencia de Materiales I
Desorden electrónico
El desorden electrónico en sólidos produce ciertas propiedades de
tipo eléctrico, óptico y químico. En este caso, este desorden puede
ser activado ya sea térmica u ópticamente. Otra diferencia es que la
concentración de defectos electrónicos se relaciona más con la
densidad de los estados electrónicos en el sólido.
Los enlaces de un sólido se deforman y cambian como resultado de
la interacción atómica, dando lugar a la formación de bandas
internas de energía continuas, a partir de las bandas de valencia.
Ciencia de Materiales I
Bandas de energía
La configuración de estos niveles se da en las llamadas “bandas” de
energía, que, al ir ocupándose, dan lugar a los aislantes,
semiconductores y conductores.
•En los metales, solamente se ocupa parcialmente la banda de mayor
energía.
•En los semiconductores intrínsecos y aislantes, los niveles de energía
están separados, dándose una banda de valencia completamente
llena y una banda de conducción vacía. El valor que las separa se llama
Salto o hueco de energía Eg.
Fig 2.3
Ciencia de Materiales I
El nivel de Fermi, para aislantes y semiconductores, es la energía en la
que la probabilidad de ocupación electrónica es de ½, por lo que cae
cerca de la mitad del salto de energía o “bandgap”.
Termodinámicamente representa el potencial químico de los
electrones. Así, cuando se agregan donantes de electrones, se eleva el
potencial químico electrónico hacia la banda de conducción: es el
llamado semiconductor tipo n.
Cuando se agregan dopantes que aceptan electrones, el nivel de
Fermi disminuirá hacia la banda de valencia, dando lugar al
semiconductor tipo p.
La combinación de ambos tipos da lugar a las uniones p-n, en las que
los niveles de Fermi se distorsionan sobre las interfases.
Ciencia de Materiales I
Asociación de defectos y precipitación
Cuando existe una alta concentración de defectos, la acumulación de los
mismos empieza a ser evidente, interactuando entre ellos gracias a su
carga.
Fig 2.14
Ciencia de Materiales I
La asociación a gran escala de estos defectos da lugar a la formación de
clústeres que pueden crecer y eventualmente dar lugar a un
precipitado.
Por ejemplo, al enfriar MgO con cierto contenido de Al2O3, ocurre la
precipitación de la fase de espinela MgAl2O4.
Ciencia de Materiales I
Los defectos de Schottky necesitan de una discontinuidad en la red a
la que puedan desplazarse los átomos. Éstas discontinuidades pueden
ser:
• Superficies
• Fronteras de grano
• Dislocaciones
Carga espacial iónica
Cuando los defectos iónicos se equilibran con una discontinuidad, se
forma un potencial eléctrico superficial, debido al exceso de carga
iónica.
Ciencia de Materiales I
La superficie se vuelve no estequiométrica
y desarrolla una carga neta. Esta carga es
compensada con una capa adyacente de
carga espacial que va decayendo con la
distancia dentro del cristal.
Por tanto, en el equilibrio existe una
diferencia de potencial electrostático
entre la superficie y el interior.
e 

1
gVMg  gVO
4

Ciencia de Materiales I
Los cambios en la estructura de los defectos, por tanto, ocasionan
cambios en el comportamiento del potencial.
Fig. 2.20
e 
gVMg
2



 kT ln Al Mg
 kT ln 2
Ciencia de Materiales I
La variación del potencial intrínseco y extrínseco ocasiona la
existencia de un punto en el que el potencial es cero conocido como
punto isoeléctrico.
Por otro lado, la migración de especies iónicas a la superficie trae
como consecuencia un “movimiento” de las fronteras de grano. La
dirección del movimiento de la FG revela el exceso de carga que
contiene.
Ciencia de Materiales I
Defectos lineales
Una dislocación es un desplazamiento en una red
cristalina como resultado de un proceso de
rozamiento.
Ciencia de Materiales I
Una dislocación de eje aparece como una hilera extra de átomos.
Una dislocación de tornillo resulta de un rozamiento alrededor de un
eje y contrario a otro bloque dentro del cristal.
Las deformaciones plásticas bajo esfuerzos externos causan la
formación y/o propagación de dislocaciones. La expansión térmica
ocasiona esfuerzos internos que pueden crear dislocaciones
Estas dislocaciones también pueden constituirse como las “semillas”
para el crecimiento de otros cristales.
Ciencia de Materiales I
En los sólidos iónicos la dislocación debe formarse de manera que no
se produzca una carga neta sobre la dislocación, lo que requiere que
el semiplano creado contenga una cantidad estequiométrica de
aniones y cationes. Esto no es un requisito en los metales.
En algunos casos, debido a la gran cantidad de energía necesaria para
formar una dislocación, ésta se subdivide en 2 dislocaciones parciales.
Como consecuencia, se producen las llamadas fallas de apilamiento
entre ambas dislocaciones, y que contienen errores en las secuencias
atómicas.
Ciencia de Materiales I
Los procesos de deformación son idénticos en todos los materiales.
El slip se produce debido al desplazamiento de las dislocaciones a través
del cristal cuando se alcanza un esfuerzo crítico.
Fig. 2.30
Ciencia de Materiales I
Otro mecanismo para el movimiento de dislocaciones es el
“escalamiento”, en el cual los átomos difunden desde o hacia las
dislocaciones para rearreglarla. Debido a esto, está limitada por la
difusión.
Fig. 2.32
Ciencia de Materiales I
El deslizamiento de las dislocaciones es más propicio en ciertas
direcciones cristalinas; también debe tomarse en cuanta la interacción
de esta dirección con los planos cristalinos, con lo que se forma un
sistema de deslizamiento.
Fig. 2.33
Ciencia de Materiales I
Fronteras de Grano
Son las interfases entre cristales del
mismo tipo en donde los planos
atómicos se ven interrumpidos. Se
clasifican en generales o especiales.
Las fronteras de tipo bajo ángulo de
inclinamiento están compuestas por
matrices de dislocaciones paralelas,
por lo que la energía en exceso de la
frontera está dada por la suma de
las energías de las dislocaciones.
Ciencia de Materiales I
En las fronteras de grano de bajo
ángulo de giro, se encuentran dos
cristales con un ángulo de rotación
sobre un eje común y normal al
plano de la frontera.
Ciencia de Materiales I
Las fronteras generales son las que no
guardan una orientación especial u
orientación de sus planos con
respecto a los granos.
En los cerámicos, muchas FG tienen
una delgada capa de material amorfo
que separa los cristales.
El grosor de esta capa alcanza un valor
de equilibrio.